JP2018038221A

JP2018038221A - 同期回転電機

Info

Publication number: JP2018038221A
Application number: JP2016171556A
Authority: JP
Inventors: 文哉中村; Fumiya Nakamura
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2016-09-02
Filing date: 2016-09-02
Publication date: 2018-03-08

Abstract

【課題】同期回転電機の固定子巻線に発生する誘導起電力中の高周波成分を低減させる。
【解決手段】同期回転電機は、回転子１０と、固定子と、２つの軸受とを備える。回転子１０は、２つの軸受に回転可能に軸支されたロータシャフトと、回転子鉄心１２と、周方向に互いに間隔をもって配されて回転子鉄心１２内を回転軸方向に貫通する回転子巻線と、回転子鉄心１２の表面であって回転子巻線により形成される磁束と同じ方向の磁束を生ずる位置に設けられた磁束分布改善用永久磁石１５、１６とを有する。固定子は、回転子鉄心１２の径方向に配された固定子鉄心２１と、周方向に互いに間隔をもって配されて固定子鉄心内を回転軸方向に貫通する固定子巻線とを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、同期回転電機に関する。

同期回転電機、たとえば同期発電機の場合は、所定の数の磁極を有する回転子を回転させることにより、固定子巻線に誘導起電力を発生させる。回転子に磁極を持たせる方法としては、永久磁石を用いる方法と、電磁石を用いる方法がある。

電磁石を用いる方法においては、回転子に界磁巻線を設ける。界磁巻線を設けた場合は、固定子巻線に発生する誘導起電力の大きさは、界磁巻線による磁力の大きさで調整が可能である。すなわち、界磁電流の大きさで調整が可能である。

特許第５１７１７６７号公報特開２００９−１４２１３０号公報

同期回転電機において発生する振動あるいは騒音の原因の一つに、同期回転電機の固定子巻線に発生する誘導起電力中の高周波成分の存在がある。

図５は、従来の同期回転電機の回転子の構成を示す横断面図である。中央の円形で表示している回転子鉄心１２は、回転軸方向に延びた、すなわち図の面に垂直な方向に延びた円柱形状である。径方向にギャップ１９を空けて、その外側には固定子鉄心２１が配されている。

回転子鉄心１２の径方向外周に沿って、回転子巻線用スロット１３が形成されている。回転子巻線用スロット１３は、回転軸方向に延びて形成されている。回転子巻線用スロット１３内には、回転子巻線１４を形成する回転子巻線導体１４ａが配されている。

いま、図５において、仮想的平面Ｓを、回転子鉄心１２の回転軸を通り、回転軸方向（図５の紙面に垂直な方向）には回転子鉄心１２の回転軸方向の長さに等しい幅を有する平面とする。仮想的平面Ｓを挟んで、ほぼ相対する回転子巻線導体１４ａ同士が結合されている。このようにして、回転子巻線導体１４ａは、この仮想的な平面を取り巻くように形成されている。

この結果、回転子巻線導体１４ａに直流電流が流れることによって、回転子鉄心１２には、図の矢印のように一方向の磁束による磁界が形成される。

図６は、従来の同期回転電機の固定子巻線に発生する誘導起電力の１相分の時間変化を示す概念的グラフである。一方向の磁束による磁界が形成されている回転子が回転した場合、固定子巻線には、図６に示すように、正方向の電圧ＨＡ、および負方向の電圧ＨＢの、交互に極性が変化する誘導起電力が発生する。

この際、誘導起電力の時間的変化すなわち、電圧ＨＡおよび電圧ＨＢの形状は、角が丸みを帯びた矩形波に近いものである。磁束が通過する領域Ａ１から磁束が通過する領域Ａ２の方向の磁束が通過する時点では、図６の電圧ＨＡ、ＨＢのように誘導起電力が生ずる。一方、これと９０度位相がずれた時点では、Ｂ１からＢ２方向となり磁束が通過しない状態となるため、図６の電圧ＨＡと電圧ＨＢとの間の時点のように誘導起電力が生じない状態となる。

磁場強度を確保するために、磁束が通過する領域Ａ１、Ａ２として、所定の面積が確保されている。このため、磁束が通過する時点には、所定の幅がある。すなわち、磁束が通過しない状態から、磁束が通過する状態に切り替わり、所定の時間間隔の後に磁束が通過しない状態に再度切り替わる。この結果、電圧ＨＡおよび電圧ＨＢの形状は、角が丸みを帯びた矩形波に近いものとなる。このように急峻に切り替わる波形には、高周波成分が存在する。

固定子のスロット数と回転支持極数の組合せを選択することにより高調波成分の割合を調整し、さらに回転子表面に永久磁石を配置する技術が知られている（特許文献１参照）。また、周方向に永久磁石を、極性を反転させながら配置して、永久磁石間の巻線の極性を交互に切り換える技術もある（特許文献２参照）。

固定子巻線に発生する誘導起電力の大きさは、界磁電流の大きさで調整が可能であるが、このように、高周波成分を低減するために、大掛かりな対策を要しており、より単純な対策が望まれるという課題がある。

そこで本発明は、同期回転電機の固定子巻線に発生する誘導起電力中の高周波成分をより単純な形態で低減させることを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明に係る同期回転電機は、回転可能に軸支され回転軸方向に延びたロータシャフトと、前記ロータシャフトの径方向外側に設けられた円筒状の回転子鉄心と、周方向に互いに間隔をもって配されて前記回転子鉄心内を前記回転軸方向に貫通する回転子巻線と、前記回転子鉄心の表面であって前記回転子巻線に界磁電流が流れる際に形成される磁束と同じ方向の磁束を生ずる位置に設けられた磁束分布改善用永久磁石と、を有する回転子と、前記回転子鉄心の径方向外側に配された円筒状の固定子鉄心と、周方向に互いに間隔をもって配されて前記固定子鉄心の内側部分を前記回転軸方向に貫通する固定子巻線と、を有する固定子と、前記ロータシャフトを回転可能に軸支する２つの軸受と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、同期回転電機の固定子巻線に発生する誘導起電力中の高周波成分をより単純な形態で低減させることができる。

実施形態に係る同期回転電機の構成を示す縦断面図である。実施形態に係る同期回転電機の回転子の構成を示す図１のＩＩ−ＩＩ矢視横断面図である。実施形態に係る同期回転電機の回転子鉄心への磁束分布改善用永久磁石の取り付け構造を示す横断面図である。実施形態に係る同期回転電機の固定子巻線に発生する誘導起電力の１相分の時間変化を示す概念的グラフである。従来の同期回転電機の回転子の構成を示す横断面図である。従来の同期回転電機の固定子巻線に発生する誘導起電力の１相分の時間変化を示す概念的グラフである。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る同期回転電機について説明する。

図１は、実施形態に係る同期回転電機の構成を示す縦断面図である。同期回転電機１００は、回転子１０、固定子２０、軸受３０、フレーム４０、および軸受ブラケット３５を有する。

回転子１０は、両端を軸受３０によって回転可能に軸支され、回転軸方向に延びたロータシャフト１１と、ロータシャフト１１の径方向外側に配された回転子鉄心１２を有する。回転子鉄心１２の径方向外側部分には、回転子巻線１４が配されている。ロータシャフト１１の回転子鉄心１２の軸方向外側には、内扇１８が取り付けられている。

固定子２０は、回転子鉄心１２の径方向外側に配されて、円筒形状をなしている固定子鉄心２１と、固定子鉄心２１の径方向内側部分に配されている固定子巻線２２を有する。

回転子鉄心１２および固定子２０の径方向外側には、フレーム４０が設けられている。フレーム４０の軸方向の両側には、軸受ブラケット３５が取り付けられている。軸受ブラケット３５のそれぞれは、軸受３０を支持している。

図２は、実施形態に係る同期回転電機の回転子の構成を示す図１のＩＩ−ＩＩ矢視横断面図である。中央の円形で表示している回転子鉄心１２は、回転軸方向（図の面に垂直な方向）に延びた円柱形状である。径方向にギャップ１９を空けて、その外側には固定子鉄心２１が配されている。

回転子鉄心１２の径方向外周に沿って、周方向に互いに間隔をおいて複数の回転子巻線用スロット１３が形成されている。回転子巻線用スロット１３は、回転軸方向に延びて形成されている。回転子巻線用スロット１３内には、回転子巻線１４（図１）を形成する回転子巻線導体１４ａが配されている。

いま、図５と同様に、図２において、仮想的平面Ｓを、回転子鉄心１２の回転軸を通り、回転軸方向（図５の紙面に垂直な方向）には回転子鉄心１２の回転軸方向の長さに等しい幅を有する平面とする。仮想的平面Ｓを挟んで、ほぼ相対する回転子巻線導体１４ａ同士が結合されている。このようにして、回転子巻線１４は、仮想的平面Ｓを取り巻くように形成されている。

磁束が貫通するＡ１領域には、磁束分布改善用永久磁石１５が設けられている。磁束分布改善用永久磁石１５は、径方向外側から内側に向かう磁束を発生させる方向に取り付けられる。また、磁束が貫通するＡ２領域には、磁束分布改善用永久磁石１６が設けられている。磁束分布改善用永久磁石１６は、径方向内側から外側に向かう磁束を発生させる方向に取り付けられる。すなわち、磁束分布改善用永久磁石１５および磁束分布改善用永久磁石１６は、回転子巻線１４に界磁電流が流れる際に形成される磁束と同じ方向の磁束を生ずるような方向に取り付けられる。

磁束分布改善用永久磁石１５および磁束分布改善用永久磁石１６は、それぞれ、回転軸方向に延びている。磁束分布改善用永久磁石１５および磁束分布改善用永久磁石１６は、それぞれ、周方向に拡がっており、径方向の厚みは、中央が厚く、周方向に中央から両側に離れるにつれて薄くなる断面形状を有する。

このため、磁束分布改善用永久磁石１５および磁束分布改善用永久磁石１６により生ずる磁束も、中央が大きく、周方向に中央から両側になるにつれて小さくなる。

図３は、回転子鉄心への磁束分布改善用永久磁石の取り付け構造を示す横断面図である。図３は、磁束分布改善用永久磁石１５の場合を示しているが、磁束分布改善用永久磁石１６の場合も同様の構造である。

磁束分布改善用永久磁石１５は、その回転子鉄心１２に接する側の面の周方向の中央部すなわち厚みの最大の部分に、結合用突起１５ａを有している。結合用突起１５ａは、ダブテイル形の断面を有し、長手方向（図３の奥行き方向）に延びている。なお、結合用突起１５ａの断面形状は、ダブテイル形に限らず、回転子鉄心１２の回転に伴う遠心力に耐えるものであれば、例えば、楕円形や五角形などの形状、あるいはさらに複雑な形状であってもよい。

回転子鉄心１２には、結合用突起１５ａに対応する形状の結合用溝１２ａが形成されている。結合用突起１５ａは、この結合用溝１２ａに嵌合し、回転子鉄心１２に取り付けられ、回転子鉄心１２により固定支持される。

図４は、実施形態に係る同期回転電機の固定子巻線に発生する誘導起電力の１相分の時間変化を示す概念的グラフである。図６に示す従来の同期回転電機の固定子巻線に発生する誘導起電力の時間変化が中央の平坦部分を有するのに比べて、中央にＨ部で示すピーク部が生じている。これは、波形の時間的な変化をより滑らかにしている。この結果、従来の波形に含まれる高調波成分を低減させることができる。

以上のように、本実施形態によれば、同期回転電機の固定子巻線に発生する誘導起電力中の高周波成分を、２箇所に磁束分布改善用永久磁石を追加するという単純な形態によって、低減させることができる。

［その他の実施形態］
以上、本発明の実施形態を説明したが、実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。さらに、実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。

実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０…回転子、１１…ロータシャフト、１２…回転子鉄心、１２ａ…結合用溝、１３…回転子巻線用スロット、１４…回転子巻線、１４ａ…回転子巻線導体、１５…磁束分布改善用永久磁石、１５ａ…結合用突起、１６…磁束分布改善用永久磁石、１８…内扇、１９…ギャップ、２０…固定子、２１…固定子鉄心、２２…固定子巻線、３０…軸受、３５…軸受ブラケット、４０…フレーム、１００…同期回転電機

Claims

回転可能に軸支され回転軸方向に延びたロータシャフトと、前記ロータシャフトの径方向外側に設けられた円筒状の回転子鉄心と、周方向に互いに間隔をもって配されて前記回転子鉄心内を前記回転軸方向に貫通する回転子巻線と、前記回転子鉄心の表面であって前記回転子巻線に界磁電流が流れる際に形成される磁束と同じ方向の磁束を生ずる位置に設けられた磁束分布改善用永久磁石と、を有する回転子と、
前記回転子鉄心の径方向外側に配された円筒状の固定子鉄心と、周方向に互いに間隔をもって配されて前記固定子鉄心の内側部分を前記回転軸方向に貫通する固定子巻線と、を有する固定子と、
前記ロータシャフトを回転可能に軸支する２つの軸受と、
を備えることを特徴とする同期回転電機。
前記磁束分布改善用永久磁石は、前記回転軸方向に延びて、その断面は周方向に広がり、周方向の両端になるほど径方向の厚みが減少する形状であることを特徴とする請求項１に記載の同期回転電機。
前記磁束分布改善用永久磁石は、前記回転子と接する側の面の周方向の中央部に、結合用突起を有し、
前記回転子鉄心は、前記結合用突起と嵌合可能な形の結合用溝が形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の同期回転電機。
前記結合用突起はダブテイル状に形成されていることを特徴とする請求項３に記載の同期回転電機。